шгдш. 3.2 Конспект лекций ЗИвТС. Конспект лекций по курсу Защита информации в телекоммуникационных системах Буя П. М. Тема 1 Основные понятия и терминология защиты информации 1 Основные понятия
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
Тема 6 – Криптографические методы защиты информации 6.1 Классификация криптографических методов защиты информации Наукой, изучающей математические методы защиты информации путем ее преобразования, является криптология [ – тайный, – наука (слово) (греч.)]. Криптология разделяется на два направления – криптографию и криптоанализ. Под криптографической защитой информации понимается такое преобразование исходной информации, в результате которого она становится недоступной для ознакомления и использования лицами, не имеющими на это полномочий. Известны различные подходы к классификации методов криптографического преобразования информации. По виду воздействия на исходную информацию методы криптографического преобразования информации могут быть разделены на четыре группы (рисунок 6.1).  Рисунок 6.1 – Классификация методов криптографического преобразования информации 6.1.1 Шифрование информации Основным видом криптографического преобразования информации в компьютерных системах является шифрование. Под шифрованием понимается процесс преобразования открытой информации в зашифрованную (шифротекст) или процесс обратного преобразования зашифрованной информации в открытую. Процесс преобразования открытой информации в закрытую получил название шифрование, а процесс преобразования закрытой информации в открытую – расшифрование (рисунок 6.2). Процесс шифрования заключается в проведении обратимых математических, логических, комбинаторных и других преобразований исходной информации, в результате которых зашифрованная информация представляет собой хаотический набор букв, цифр, других символов и двоичных кодов.  Рисунок 6.2 – Шифрование и расшифрование Для шифрования информации используются алгоритм преобразования и ключ. Как правило, алгоритм для определенного метода шифрования является неизменным. Исходными данными для алгоритма шифрования служат информация, подлежащая шифрованию, и ключ шифрования. Ключ – конкретное значение некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор преобразования из семейства. Он содержит управляющую информацию, которая определяет выбор преобразования на определенных шагах алгоритма и величины операндов, используемые при реализации алгоритма шифрования. За многовековую историю использования шифрования информации человечеством изобретено множество методов шифрования, или шифров. Методом шифрования (шифром) называется совокупность обратимых преобразований открытой информации в закрытую в соответствии с алгоритмом шифрования. Большинство методов шифрования не выдержали проверку временем, а некоторые используются и до сих пор. Появление ЭВМ инициировало процесс разработки новых шифров, учитывающих их возможности использования как для шифрования/дешифрования информации, так и для атак на шифр. Атака на шифр (криптоанализ) – это процесс дешифрования закрытой информации без знания ключа и, возможно, при отсутствии сведений об алгоритме шифрования. Процесс восстановления первоначального открытого текста на основе шифрованного без знания ключа называют дешифрованием. Современные методы шифрования должны отвечать следующим требованиям: стойкость шифра противостоять криптоанализу (криптостойкость) должна быть такой, чтобы вскрытие его могло быть осуществлено только путем решения задачи полного перебора ключей; криптостойкость обеспечивается не секретностью алгоритма шифрования, а секретностью ключа; шифротекст не должен существенно превосходить по объему исходную информацию; ошибки, возникающие при шифровании, не должны приводить к искажениям и потерям информации; время шифрования не должно быть большим; стоимость шифрования должна быть согласована со стоимостью закрываемой информации. Криптостойкость шифра является его основным показателем эффективности. Она измеряется временем или стоимостью средств, необходимых криптоаналитику для получения исходной информации по шифротексту, при условии, что ему неизвестен ключ. Сохранить в секрете широко используемый алгоритм шифрования практически невозможно. Поэтому алгоритм не должен иметь скрытых слабых мест, которыми могли бы воспользоваться криптоаналитики. Если это условие выполняется, то криптостойкость шифра определяется длиной ключа, так как единственный путь вскрытия зашифрованной информации – перебор комбинаций ключа и выполнение алгоритма дешифрования. Таким образом, время и средства, затрачиваемые на криптоанализ, зависят от длины ключа и сложности алгоритма шифрования. В качестве примера удачного метода шифрования можно привести шифр DES (Data Encryption Standard), применяемый в США с 1978 года в качестве государственного стандарта. Алгоритм шифрования не является секретным и был опубликован в открытой печати. За все время использования этого шифра не было обнародовано ни одного случая обнаружения слабых мест в алгоритме шифрования. В конце 70-х годов использование ключа длиной в 56 бит гарантировало, что для раскрытия шифра потребуется несколько лет непрерывной работы самых мощных по тем временам компьютеров. Прогресс в области вычислительной техники позволил значительно сократить время определения ключа путем полного перебора. Согласно заявлению специалистов Агентства национальной безопасности США, 56-битный ключ для DES может быть найден менее чем за 453 дня с использованием суперЭВМ Cray T3D, которая имеет 1024 узла и стоит 30 млн дол. Используя чип FPGA (Field Progammably Gate Array – программируемая вентильная матрица) стоимостью 400 дол., можно восстановить 40-битный ключ DES за 5 часов. Потратив 10000 дол. за 25 чипов FPGA, 40-битный ключ можно найти в среднем за 12 мин. Для вскрытия 56-битного ключа DES при опоре на серийную технологию и затратах в 300000 дол. требуется в среднем 19 дней, а если разработать специальный чип, – то 3 часа. При затратах в 300 млн дол. 56-битные ключи могут быть найдены за 12 с. Расчеты показывают, что в настоящее время для надежного закрытия информации длина ключа должна быть не менее 90 бит. Современная криптография включает в себя четыре основные группы криптографических методов защиты информации: симметричные криптосистемы; асимметричные криптосистемы (криптосистемы с открытым ключом); системы электронной цифровой подписи; управление ключами. В симметричных криптосистемах для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ (рисунок 6.3).  Рисунок 6.3 – Шифрование и расшифрование с одним ключом В асимметричных криптосистемах используются два ключа – открытый и секретный, которые математически связаны друг с другом (рисунок 6.4). Информация шифруется с помощью открытого ключ, который доступен всем желающим, а расшифровывается с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.  Рисунок 6.4 – Шифрование и расшифрование с двумя ключами Электронной цифровой подписью называется присоединение к тексту его криптографического преобразования, которое позволяет при получении текста другим пользователем проверить авторство и целостность сообщения. Управление ключами – это процесс системы обработки информации, вырабатывающий и распределяющий ключи (открытые и секретные) между пользователями. Далее данные группы методов будут рассмотрены подробнее. 6.1.2 Стеганография В отличие от других методов криптографического преобразования информации, методы стеганографии позволяют скрыть не только смысл хранящейся или передаваемой информации, но и сам факт хранения или передачи закрытой информации. В компьютерных системах практическое использование стеганографии только начинается, но проведенные исследования показывают ее перспективность. В основе всех методов стеганографии лежит маскирование закрытой информации среди открытых файлов. Обработка мультимедийных файлов в компьютерных системах открыла практически неограниченные возможности перед стеганографией. Существует несколько методов скрытой передачи информации. Одним из них является простой метод скрытия файлов при работе в операционной системе MS DOS. За текстовым открытым файлом записывается скрытый двоичный файл, объем которого много меньше текстового файла. В конце текстового файла помещается метка EOF (комбинация клавиш Ctrl и Z). При обращении к этому текстовому файлу стандартными средствами ОС считывание прекращается по достижению метки EOF, и скрытый файл остается недоступен. Для двоичных файлов никаких меток в конце файла не предусмотрено. Конец такого файла определяется при обработке атрибутов, в которых хранится длина файла в байтах. Доступ к скрытому файлу может быть получен, если файл открыть как двоичный. Скрытый файл может быть зашифрован. Если кто-то случайно обнаружит скрытый файл, то зашифрованная информация будет воспринята как сбой в работе системы. Графическая и звуковая информации представляются в числовом виде. Так, в графических объектах наименьший элемент изображения может кодироваться одним байтом. В младшие разряды определенных байтов изображения в соответствии с алгоритмом криптографического преобразования помещаются биты скрытого файла. Если правильно подобрать алгоритм преобразования и изображение, на фоне которого помещается скрытый файл, то человеческому глазу практически невозможно отличить полученное изображение от исходного. Очень сложно выявить скрытую информацию и с помощью специальных программ. Наилучшим образом для внедрения скрытой информации подходят изображения местности: фотоснимки со спутников, самолетов и т. п. С помощью средств стеганографии могут маскироваться текст, изображение, речь, цифровая подпись, зашифрованное сообщение. Комплексное использование стеганографии и шифрования многократно повышает сложность решения задачи обнаружения и раскрытия конфиденциальной информации. 6.1.3 Кодирование информации Содержанием процесса кодирования информации является замена смысловых конструкций исходной информации (слов, предложений) кодами. В качестве кодов могут использоваться сочетания букв, цифр, букв и цифр. При кодировании и обратном преобразовании используются специальные таблицы или словари. Кодирование информации целесообразно применять в системах с ограниченным набором смысловых конструкций. Такой вид криптографического преобразования применим, например, в командных линиях автоматизированных систем управления. Недостатками кодирования конфиденциальной информации является необходимость хранения и распространения кодировочных таблиц, которые необходимо часто менять, чтобы избежать раскрытия кодов статистическими методами обработки перехваченных сообщений. 6.1.4 Сжатие информации Сжатие информации может быть отнесено к методам криптографического преобразования информации с определенными оговорками. Целью сжатия является сокращение объема информации. В то же время сжатая информация не может быть прочитана или использована без обратного преобразования. Учитывая доступность средств сжатия и обратного преобразования, эти методы нельзя рассматривать как надежные средства криптографического преобразования информации. Даже если держать в секрете алгоритмы, то они могут быть сравнительно легко раскрыты статистическими методами обработки. Поэтому сжатые файлы конфиденциальной информации подвергаются последующему шифрованию. Для сокращения времени целесообразно совмещать процесс сжатия и шифрования информации. В некоторых источниках стеганография, кодирование и сжатие информации относятся к отраслям знаний, смежных с криптографией, но не входящих в нее. 6.2 Симметричные криптосистемы 6.2.1 Традиционные методы шифрования К традиционным (классическим) методам шифрования относятся шифры перестановки, шифры простой и сложной замены, а также некоторые их модификации и комбинации. Комбинации шифров перестановок и шифров замены образуют все многообразие применяемых на практике симметричных шифров. Шифры перестановки. При шифровании перестановкой символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах блока этого текста. Шифры перестановки являются самыми простыми и, вероятно, самыми древними шифрами. Шифрующие таблицы. В качестве ключа в шифрующих таблицах используются: размер таблицы, слово или фраза, задающие перестановку, особенности структуры таблицы. Одним из самых примитивных табличных шифров перестановки является простая перестановка, для которой ключом служит размер таблицы. Естественно, отправитель и получатель сообщения должны заранее условиться об общем ключе в виде размера таблицы. Следует заметить, что объединение букв шифротекста в 8-буквенные группы не входит в ключ шифра и осуществляется для удобства записи несмыслового текста. При расшифровании действия выполняют в обратном порядке. Несколько большей стойкостью к раскрытию обладает метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу. Этот метод отличается от предыдущего тем, что столбцы таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы. Для обеспечения дополнительной скрытности можно повторно зашифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Такой метод шифрования называется двойной перестановкой. В случае двойной перестановки столбцов и строк таблицы перестановки определяются отдельно для столбцов и для строк. Сначала в таблицу записывается текст сообщения по столбцам, а потом поочередно переставляются столбцы, а затем строки. Число вариантов двойной перестановки быстро возрастает при увеличении размера таблицы: для таблицы 3×3 36 вариантов, для таблицы 4×4 576 вариантов, для таблицы 5×5 14400 вариантов. Однако двойная перестановка не отличается высокой стойкостью и сравнительно просто "взламывается" при любом размере таблицы шифрования. Шифры простой замены. При шифровании заменой (подстановкой) символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита с заранее установленным правилом замены. В шифре простой замены каждый символ исходного текста заменяется символами того же алфавита по одному правилу на всем протяжении текста. Часто шифры простой замены называют шифрами одноалфавитной подстановки. Система шифрования Цезаря. Шифр Цезаря является частным случаем шифра простой замены (одноалфавитной подстановки). Свое название этот шифр получил по имени римского императора Гая Юлия Цезаря, который использовал этот шифр при переписке. При шифровании исходного текста каждая буква заменялась на другую букву того же алфавита по следующему правилу. Заменяющая буква определялась путем смещения по алфавиту m от исходной буквы на k букв. При достижении конца алфавита выполнялся циклический переход к его началу. Цезарь использовал латинский алфавит m = 26 и шифр замены при смещении k = 3. Такой шифр замены можно задать таблицей подстановок, содержащей соответствующие пары букв открытого текста и шифротекста. Совокупность возможных подстановок для k = 3 показана в таблице 6.1. Таблица 6.1 – Одноалфавитные подстановки (k = 3, m = 26)
Система шифрования Цезаря образует, по существу, семейство одноалфавитных подстановок для выбираемых значений ключа k, причем 0 k < m. Достоинством системы шифрования Цезаря является простота шифрования и расшифрования. К недостаткам системы Цезаря можно отнести следующее: подстановки, выполняемые в соответствии с системой Цезаря, не маскируют частот появления различных букв исходного открытого текста; сохраняется алфавитный порядок в последовательности заменяющих букв; при изменении значения k изменяются только начальные позиции такой последовательности; число возможных ключей k мало; шифр Цезаря легко вскрывается на основе анализа частот появления букв в шифротексте. Криптоаналитическая атака против системы одноалфавитной замены начинается с подсчета частот появления символов: определяется число появлений каждой буквы в шифротексте. Затем полученное распределение частот букв в шифротексте сравнивается с распределением частот букв в алфавите исходных сообщений. Буква с наивысшей частотой появления в шифротексте заменяется на букву с наивысшей частотой появления в алфавите и т. д. Вероятность успешного вскрытия системы шифрования повышается с увеличением длины шифротекста. Вместе с тем идеи, заложенные в системе шифрования Цезаря, оказались весьма плодотворными, о чем свидетельствуют их многочисленные модификации. |